WO2016175595A1 - 도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기 - Google Patents

도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기 Download PDF

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WO2016175595A1
WO2016175595A1 PCT/KR2016/004494 KR2016004494W WO2016175595A1 WO 2016175595 A1 WO2016175595 A1 WO 2016175595A1 KR 2016004494 W KR2016004494 W KR 2016004494W WO 2016175595 A1 WO2016175595 A1 WO 2016175595A1
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WO
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optical waveguide
optical
bragg grating
broadband light
waveguide
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PCT/KR2016/004494
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English (en)
French (fr)
Inventor
이학규
박준오
서준규
박수현
Original Assignee
(주)켐옵틱스
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124—Geodesic lenses or integrated gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/44—Grating systems; Zone plate systems

Definitions

  • the present invention relates to a wavelength tunable optical receiver, and more particularly, using a waveguide Bragg grating for outputting a specific wavelength component of broadband light incident on one end of an optical waveguide including a Bragg grating to one end of the optical waveguide. It relates to a tunable optical receiver.
  • WDM Widelength Division Multiplexing
  • WDM transmission network requires OADM (Optical Add / Drop Multiplexer) function that can selectively branch / combine some wavelengths and pass some of them without photoelectric conversion.
  • OADM can extend the network connectivity and increase the efficiency by allowing the intermediate nodes in the transmission line to be connected in wavelength units.
  • Reconfigurable OADM Reconfigurable OADM
  • the tunable optical filter is an optical element that filters and filters only a desired wavelength among input optical signals.
  • Tunable Fabri-Perot Filter Micro Machined Device, Mach-Zehnder Interferometer, Fiber Bragg Gratings, Acousto-optic with Wavelength Tunable Filter Technology Acousto-Optic Tunable Filters, Electro-Optic Tunable Filters, Arrayed Waveguide Grating (AWG), Active Filter, Ring Resonator Tunable Filters Etc.
  • the waveguide wavelength variable optical filter technology has advantages in that it can be manufactured in a small size and can be applied to an optical integrated circuit.
  • the Bragg grating used in the reflective tunable optical filter is a short-period waveguide grating whose period is about 0.5 ⁇ m.
  • the wavelength tunable optical filter using the short period grating only the wavelength whose fundamental mode incident to the core corresponds to the Bragg wavelength by the grating is combined with the core mode in the direction opposite to the incident direction of light.
  • FIG. 1 is a view for explaining an operation of a reflective wavelength tunable optical receiver using a conventional short-period grating
  • FIG. 1A schematically shows a conventional tunable optical receiver 10.
  • FIG. (B) and (c) are graphs schematically showing the intensity of light according to the wavelength at each point of the tunable optical receiver 10.
  • the broadband light output from the light source 1 is incident on one end (more specifically, one end of the core) of the optical waveguide 3 by optical coupling, and the optical waveguide 3
  • the light of the wavelength reflected by the Bragg grating 4 formed in the (ie, a specific wavelength component) is the center of the reflection band of the Bragg grating 4 by resonance with the light re-input to one end of the optical waveguide 3.
  • An oscillation wavelength having a wavelength is emitted to one end of the optical waveguide 3.
  • a separate optical element such as an optical circulator 2 is positioned between the light source 1 and the optical waveguide 3. Therefore, the emitted light is output through the output port 5 of the optical circulator 2 and then transmitted to the photodetector 7.
  • FIG. 1A the specific wavelength component reflected by the Bragg grating 4 of the broadband light incident on the wavelength tunable optical receiver 10 and emitted through the output port 5 of the optical circulator 2 is illustrated in FIG. It can be represented as 1 (b). Meanwhile, the remaining unfiltered wavelength components of the broadband light incident on the optical receiver 10 are emitted to the other end of the optical waveguide, and an example thereof is shown in FIG. 1C and the notch is notched. It is called form.
  • the waveguide-type tunable optical receiver can be manufactured based on Bragg grating, but since the optical receiver can be implemented only as a reflective type, a specific wavelength component filtered by the optical receiver is returned to the incident path of light. Accordingly, in order to distinguish the filtered light from the incident light, a separate optical device such as an optical circulator must be provided between the light source and the optical waveguide (or a splitter may be provided between the light source and the optical waveguide). However, since the optical receiver must be provided with a separate optical device, the cost is inevitably high (particularly, the optical circulator is a very expensive optical device), and since the size of the optical receiver is required because a large space is required for the arrangement of the separate optical devices. There is a problem that it is very difficult to mount the optical receiver in a standardized optical transceiver such as SFP or XFP.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to separate broadband light incident on one end of the optical waveguide and light emitted from one end of the optical waveguide (that is, a specific wavelength component). It is to provide a variable wavelength optical receiver that can be easily separated and detected without having an element (such as an optical circulator or splitter).
  • the present invention is a wavelength tunable optical receiver for detecting a specific wavelength component of the broadband light incident on one end of the optical waveguide by exiting the optical waveguide, the broadband light is incident, the central axis is An optical waveguide disposed to coincide with a traveling direction of the broadband light; Bragg grating formed in the optical waveguide; A heater provided on the optical waveguide in which the Bragg grating is formed; And as the optical period of the Bragg grating is adjusted by the thermo-optic effect of the heater, receiving a specific wavelength component reflected by the Bragg grating of the broadband light incident on the optical waveguide and traveling through the core, thereby receiving the electrical signal. And a photodetector for converting, wherein the optical waveguide includes an incident surface having an angle that is not perpendicular to the traveling direction of the broadband light.
  • the present invention is a wavelength tunable optical receiver that detects a specific wavelength component of broadband light incident on one end of the optical waveguide by emitting it to one end of the optical waveguide, in which broadband light is incident, and the broadband light is zero based on a central axis.
  • An optical waveguide disposed to be incident at an angle other than a degree; Bragg grating formed in the optical waveguide; A heater provided on the optical waveguide in which the Bragg grating is formed; And as the optical period of the Bragg grating is adjusted by the thermo-optic effect of the heater, receiving a specific wavelength component reflected by the Bragg grating of the broadband light incident on the optical waveguide and traveling through the core, thereby receiving the electrical signal.
  • the specific wavelength component is emitted from the optical waveguide at a refractive angle determined by the refractive index of the optical waveguide and the refractive index of air, and the photodetector is disposed at a position corresponding to the refractive angle of the specific wavelength component.
  • the tunable optical receiver according to the present invention further includes an optical lens positioned in front of the optical waveguide and condensing the broadband light to be incident on the optical waveguide.
  • the tunable optical receiver according to the present invention further includes a temperature sensor and a thermoelectric cooler, and is electrically connected to the heater, the temperature sensor and the thermoelectric cooler, and receives a signal detected by the temperature sensor of the heater. It further includes a temperature control device for controlling the heat generation and the endotherm of the thermoelectric cooler.
  • the optical waveguide is a polymer optical waveguide made of a polymer.
  • the Bragg grating is a polymer Bragg grating made of a polymer, and the optical waveguide and the polymer forming the Bragg grating include a halogen element and include a functional group that is cured by ultraviolet rays or heat.
  • the optical waveguide and the polymer forming the Bragg grating is characterized in that the thermo-optic coefficient is -9.9 ⁇ 10 -4 to -0.5 ⁇ 10 -4 °C -1 .
  • the optical waveguide geometry is a rib structure, a ridge structure, an inverted rib structure, an inverted ridge structure, or a channel structure.
  • the path of broadband light incident on the optical waveguide and the path of a specific wavelength component emitted from the optical waveguide are spatially separated from each other. Accordingly, it is not necessary to provide a separate optical device for separating the light between the light source and the optical waveguide, thereby reducing the cost and reducing the size of the wavelength variable optical receiver, so that the wavelength can be changed in a standard optical transceiver such as SFP or XFP.
  • the optical receiver can be easily mounted.
  • 1 is a view for explaining the operation of the conventional reflective variable-wavelength optical receiver using a short period grating.
  • FIG. 2 is a plan view of a wavelength tunable optical receiver according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a side view of some components of the tunable optical receiver according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view for explaining the principle of the wavelength tunable optical receiver according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view of a wavelength tunable optical receiver according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a side view of a part of a configuration of a tunable optical receiver according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view for explaining the principle of the wavelength tunable optical receiver according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG 8 is a view showing the structure of the optical waveguide and the formation position of the Bragg grating in the tunable optical receiver according to the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of a wavelength tunable optical receiver according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a side view of a partial configuration of the tunable optical receiver according to the first embodiment of the present invention.
  • 4 is a view for explaining the principle of the wavelength tunable optical receiver according to the first embodiment of the present invention.
  • the tunable optical receiver 100 includes a body 110, an optical lens 120, an optical waveguide 130, a photodetector 140, a heater 150, and a temperature sensor 160.
  • the thermoelectric cooler 170 and the substrate 180 may be configured to be included.
  • the body 110 may be formed in a shape of a housing having an accommodation space formed therein, and one surface may include an incident surface 111 for introducing broadband light output from a light source (not shown).
  • the light source may be a semiconductor laser diode that outputs broadband light.
  • the broadband light output from the light source may be incident perpendicularly to the incident surface 111.
  • the optical lens 120 may be positioned between the light source and the optical waveguide 130, that is, in front of the optical waveguide 130.
  • the optical lens 120 collects the broadband light output from the light source and enters the optical waveguide 130.
  • the optical coupling efficiency of the optical waveguide 130 may be improved through the condensing of the optical lens 120.
  • the optical waveguide 130 is composed of an upper cladding 131 and a lower cladding 132 which induce total reflection, and a core 133 through which light is transmitted.
  • the light collected by the optical lens 120 is It may be incident on the core 133.
  • the optical waveguide 130 according to the first embodiment of the present invention has a central axis 136 coinciding with the traveling direction of broadband light, as shown in FIG. That is, the optical waveguide 130 is disposed so that the central axis 136 of the optical waveguide 130 coincides with the traveling direction of the broadband light.
  • the optical waveguide 130 has an incident surface 137 having an angle that is not perpendicular to the traveling direction of the broadband light, as shown in FIG. That is, the incident surface 137 of the optical waveguide 130 is provided to be inclined with respect to the traveling direction of the broadband light. This is to spatially separate broadband light incident on one end of the optical waveguide 130 and light emitted to one end of the optical waveguide 130 (that is, a specific wavelength component).
  • the specific wavelength component reflected by the Bragg grating 135 of the broadband light incident on one end of the optical waveguide 130 is emitted to one end of the optical waveguide 130, the remaining wavelength component is the optical waveguide 130 It is emitted to the other end of.
  • the optical waveguide 130 includes an incident surface 137 having an angle that is not perpendicular to the traveling direction of the broadband light, the broadband light and the specific wavelength component are different from each other at one end of the optical waveguide 130. Because of having a furnace, it is possible to easily detect the specific wavelength component without having to provide a separate optical device for the separation of light.
  • the optical waveguide 130 may be located on the substrate 180 and physically supported by the substrate 180.
  • the substrate 180 supporting the optical waveguide 130 may be a silicon substrate or a polymer substrate. Or a glass substrate.
  • the optical waveguide 130 is composed of the claddings 131 and 132 and the core 133 surrounded by the claddings 131 and 132, and the core 133 has a larger refractive index than that of the claddings 131 and 132. Broadband light incident on 133 causes total reflection at the interface between the core 133 and the claddings 131 and 132.
  • the Bragg grating 135 is formed by forming grooves having a predetermined period in the propagation direction of broadband light in the claddings 131 and 132 or the core 133 of the optical waveguide 130, and the empty space (air) of the grooves is
  • the Bragg grating may be formed, or the Bragg grating may be formed by filling a material such as silicon oxide or polysilicon into the groove.
  • the periodic grooves forming the Bragg grating 135 reflect periodic wavelengths to the refractive index of the optical waveguide 130 through which light travels, thereby reflecting a wavelength determined by the spacing between the gratings.
  • the wavelength reflected by the Bragg grating 135 generates an optical signal having a center wavelength of the reflection band of the Bragg grating 135 by resonance with broadband light re-entered into one end of the optical waveguide 130.
  • the wavelength ⁇ reflected by the Bragg grating 135 is determined by the grating equation shown in Equation 1 below.
  • Equation 1 m is an odd number such as 1,3,5,7 indicating the order of the Bragg grating, n is the effective refractive index of the optical waveguide, ⁇ is the period of the Bragg grating.
  • a specific wavelength component satisfying the Bragg condition by the Bragg grating 135 (for example, For example, light having a center wavelength of ⁇ i) is reflected and emitted to one end of the optical waveguide 130, and optical signals of the remaining wavelengths are emitted to the other end of the optical waveguide 130.
  • Equation 2 the change in the Bragg reflection wavelength with temperature is derived from Equation 1 as shown in Equation 2 below.
  • Equation 2 M, n and ⁇ of Equation 2 are the same as Equation 1, and ⁇ 0 is the initial reflection wavelength. That is, the amount of change in the reflection wavelength with respect to temperature is proportional to the sum of the amount of change in the effective refractive index with the change in the lattice period.
  • the change in the reflected wavelength with respect to temperature is 0.085 nm / K for a 12 nm variable corresponding to 16 channels at 100 GHz intervals. It can be seen that the temperature is about 142K.
  • the thermo-optic coefficient of silicon, ⁇ n / ⁇ T was 1.9 ⁇ 10 ⁇ 4 / K, and the change in period due to temperature was ignored.
  • the heater 150 may be provided on the optical waveguide 130 on which the Bragg grating 135 is formed.
  • the heater 150 generates joule heat as a predetermined electrical signal is applied to vary the temperature of the optical waveguide 130 and is reflected by the Bragg grating 135 by the thermo-optic effect of the optical waveguide 130.
  • the wavelength band is adjusted to adjust the center wavelength of the specific wavelength component emitted to one end of the optical waveguide 130.
  • the heater 150 may use any conventional metal heater that generates heat when electric power is applied, but preferably, such as Cr, Ni, Cu, Ag, Au, Pt, Ti, Al elements, and nichrome It is preferable that it is a heater provided with the thin-film heating element selected from the group which consists of a laminated thin film which consists of alloys.
  • the optical waveguide 130 according to the first embodiment of the present invention is disposed so that the central axis 136 of the optical waveguide 130 coincides with the traveling direction of the broadband light, and the optical waveguide 130 is An incident surface 137 having an angle that is not perpendicular to the traveling direction of the broadband light is provided.
  • Broadband light incident on one end of the optical waveguide 130 proceeds to the core 133, and the optical cycle of the Bragg grating 135 is controlled by the thermo-optic effect of the heater 150 to advance the core.
  • Specific wavelength components of the broadband light are reflected by the Bragg grating 135.
  • the specific wavelength component reflected is a specific wavelength component emitted to one end of the optical waveguide 130 with respect to the refractive angle (reflected by the refractive index of the optical waveguide 130 and the refractive index of air) based on the central axis 136 of the optical waveguide 130. This angle is emitted from the optical waveguide 130, the photodetector 140 is disposed at a position corresponding to the refractive angle of the specific wavelength component receives the specific wavelength component and converts it into an electrical signal.
  • the optical waveguide 130 since the optical waveguide 130 has an incident surface 137 having an angle that is not perpendicular to the traveling direction of the broadband light, broadband light and Bragg incident on the optical waveguide 130 are provided. Specific wavelength components emitted by the optical waveguide 130 after being reflected by the grating 135 have different optical paths at one end of the optical waveguide 130. Accordingly, the arrangement of the optical lens 120 and the photodetector 140 is free, and there is no need to use a separate optical element such as an optical circulator, thereby reducing the cost of the optical receiver and reducing the size of the optical receiver. You can do it.
  • the wavelength variable optical receiver according to the first embodiment of the present invention is the reflection band of the Bragg grating 135 is adjusted by the thermo-optic effect of the optical waveguide 130 according to the heat supply of the heater 150, accordingly
  • the center wavelength of the specific wavelength component emitted to one end of the optical waveguide 130 may be varied.
  • the temperature sensor 160 is preferably provided on the upper part of the optical waveguide 130 to measure the temperature of the optical waveguide 130 in real time to adjust the current applied to the heater 150.
  • the temperature sensor 160 may be any conventional temperature sensor whose electrical property (voltage, resistance or current amount) is changed by heat.
  • the temperature sensor 160 may include a thermistor.
  • Thermoelectric cooler 170 is preferably provided in the lower portion of the optical waveguide 130 to control the temperature change of the optical waveguide 130 independently to the external temperature environment so that the optical waveguide 130 has a precise thermo-optic effect. Do.
  • the thermoelectric cooler 170 may include a conventional thermoelectric element in which endotherm is generated by a predetermined electrical signal.
  • the heater 150 and the thermoelectric cooler 170 may adjust the temperature at a precision of less than 0.1 ° C., and the temperature sensor 160 may sense the temperature at a precision of less than 0.1 ° C.
  • thermoelectric cooler 170 it is preferable to further include a temperature control device (not shown) so that the output characteristics of the optical signal that is independently stable to the external temperature environment by the action of the temperature sensor 160 and the thermoelectric cooler 170 appear.
  • the temperature control device is electrically connected to the heater 150, the temperature sensor 160 and the thermoelectric cooler 170 to receive a signal detected from the temperature sensor 160 to generate heat and thermoelectric cooler of the heater 150 ( 170) to regulate the endotherm.
  • the temperature control device may comprise a conventional microprocessor on which the control program is executed and a computer readable storage medium.
  • the material of the optical waveguide 130 is a polymer optical waveguide which is a polymer
  • the material of the Bragg grating 135 is also a polymer Bragg grating which is a polymer. This is because the polymer material has an excellent thermo-optic effect compared to other materials.
  • the polymer forming the optical waveguide 130 (cladding 131, 132 and core 133) or Bragg grating 135 includes a low loss optical polymer.
  • the low loss optical polymer contains a halogen element such as fluorine (F) or deuterium in a general polymer, and preferably includes a functional group capable of heat or ultraviolet curing.
  • the polymer forming the optical waveguide 130 or the Bragg grating 135 preferably has a thermo-optic coefficient of -9.9 ⁇ 10 -4 to -0.5 ⁇ 10 -4 (° C. ⁇ 1 ).
  • the optical waveguide 130 is composed of claddings 131 and 132 and a core 133.
  • the optical waveguide 130 has a rib structure, a ridge structure, an inver, as shown in FIG. It may be a inverted rib structure, an inverted ridge structure, or a channel structure.
  • the effective refractive index of the optical waveguide 130 is a function of the position of the Bragg grating, the thickness of the Bragg grating, the ON / OFF ratio of the Bragg grating, the order of the Bragg grating, the refractive index of the polymer materials constituting the core and cladding, and the material shape of the core. Therefore, it is not easy to theoretically predict the wavelength of the output optical signal in the various structures shown in FIG.
  • the optical waveguide 130 and the Bragg grating 135 are formed using a polymer, and in controlling the effective refractive index of the optical waveguide 130, the heater 150, the temperature sensor 160, and the thermoelectric cooler 170 are used.
  • a temperature control device to predictably adjust the temperature of the optical waveguide 130 in the portion where the Bragg grating 135 is formed, and accordingly, a specific wavelength reflected by one end of the optical waveguide 130 and emitted. It is desirable to be able to easily fix and vary the components.
  • FIG. 5 is a plan view of a wavelength tunable optical receiver according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 6 is a side view of some components of the tunable optical receiver according to the second embodiment of the present invention.
  • 7 is a view for explaining the principle of the wavelength tunable optical receiver according to the second embodiment of the present invention.
  • the tunable optical receiver 200 includes a body 210, an optical lens 220, an optical waveguide 230, a photodetector 240, a heater 250, and a temperature sensor 260.
  • the thermoelectric cooler 270 and the substrate 280 may be included.
  • the functions of the above components are the body 110, the optical lens 120, the optical waveguide 130, the photodetector 140, the heater 150, the temperature sensor 160, according to the first embodiment of the present invention described above
  • the same matters as the first embodiment of the present invention will be briefly or omitted, and the difference will be described in detail.
  • the body 210 is formed in a housing shape having an accommodation space formed therein, and an incidence surface 211 for inducing broadband light output from a light source (not shown) is inclined from one surface of the body 210 to the other surface. Can be.
  • the position of the incident surface 211 in FIG. 5 is different from that of FIG. 2 to describe a case where the central axis of the optical waveguide 130 does not coincide with the traveling direction of the broadband light output from the light source. Accordingly, the position of the incident surface 211 may be provided on one surface of the body 210 as in the first embodiment, but in this case, the optical waveguide 130 may be arranged differently from that shown in FIG. 5. (See the description of the arrangement of the optical waveguide 130 described later).
  • An optical lens 220 may be positioned between the light source and the optical waveguide 230, that is, in front of the optical waveguide 230.
  • the optical lens 120 collects the broadband light output from the light source and enters the optical waveguide 230.
  • the optical coupling efficiency of the optical waveguide 130 may be improved through the condensing of the optical lens 220.
  • the optical waveguide 230 is composed of an upper cladding 231 and a lower cladding 232 that induce total reflection, and a core 233 through which light is transmitted.
  • the light collected by the optical lens 220 is a core of the optical waveguide. May be incident to 233.
  • the optical waveguide 230 according to the second embodiment of the present invention is disposed such that broadband light is incident at an angle other than 0 degrees with respect to the central axis of the optical waveguide 230. This is to spatially separate broadband light incident on one end of the optical waveguide 230 and light emitted to one end of the optical waveguide 230 (that is, a specific wavelength component).
  • the specific wavelength component reflected by the Bragg grating 235 of the broadband light incident on one end of the optical waveguide 230 is emitted to one end of the optical waveguide 230, the remaining wavelength component is the optical waveguide 230
  • the optical waveguide 230 is disposed such that the broadband light is incident at a non-zero angle with respect to the central axis of the optical waveguide 230, the broadband light and the specific wavelength component are optical waveguides. Since one end of 230 has a different optical path, it is possible to easily detect the specific wavelength component without having to provide a separate optical device for separation of light.
  • Broadband light incident on one end of the optical waveguide 230 proceeds to the core 233, and as the optical period of the Bragg grating 235 is adjusted by the thermo-optic effect of the heater 250, the core 233 is adjusted.
  • the specific wavelength component of the broadband light traveling through is reflected by the Bragg grating 235.
  • the specific wavelength component reflected is a refractive angle determined by the refractive index of the optical waveguide 230 and the refractive index of air (specific wavelength component emitted to one end of the optical waveguide 230 with respect to the central axis 236 of the optical waveguide 230).
  • This angle is emitted from the optical waveguide 230, the photodetector 240 is disposed at a position corresponding to the refractive angle of the specific wavelength component receives the specific wavelength component and converts it into an electrical signal. That is, when an angle formed by broadband light incident on the optical waveguide 230 based on the central axis 236 of the optical waveguide 230 is called an incident angle ⁇ , the reflected specific wavelength component is the incident angle ⁇ . It has a refractive angle ( ⁇ ) corresponding to, and the photodetector 240 is disposed at a position where a specific wavelength component is emitted with the refractive angle ( ⁇ ).
  • the optical waveguide 230 is disposed so that the broadband light is incident at an angle other than 0 degrees with respect to the central axis 236 of the optical waveguide 230, the optical waveguide 230 Broadband light incident on and reflected by the Bragg grating 235 and the specific wavelength component emitted from the optical waveguide 230 have different optical paths at one end of the optical waveguide 230. Accordingly, the arrangement of the optical lens 220 and the photodetector 240 is free, and there is no need to use a separate optical element such as an optical circulator, thereby reducing the cost of the optical receiver and reducing the size of the optical receiver. You can do it.
  • the incident surface 237 of the optical waveguide 230 is shown to be inclined with respect to the central axis 236 in FIG. 7, the optical waveguide 230 according to the second embodiment of the present invention is configured according to the first embodiment. Unlike the optical waveguide 130, the incident surface 237 may be perpendicular to the central axis 236.
  • the wavelength tunable optical receiver according to the second embodiment of the present invention adjusts the reflection band of the Bragg grating 235 by the thermo-optic effect of the optical waveguide 230 according to the heat supply of the heater 250.
  • the center wavelength of the specific wavelength component emitted to one end of the optical waveguide 230 may be varied.
  • thermoelectric cooler 270 The detailed configuration and function of the heater 250, the temperature sensor 260, and the thermoelectric cooler 270 are the same as those of the heater 150, the temperature sensor 160, and the thermoelectric cooler 170 described above.
  • the temperature controller is electrically connected to the heater 250, the temperature sensor 260, and the thermoelectric cooler 270, and receives a signal detected from the temperature sensor 260 to generate heat and the thermoelectric cooler of the heater 250. 270) to control the endotherm.
  • the temperature control device may comprise a conventional microprocessor on which the control program is executed and a computer readable storage medium.
  • the material of the optical waveguide 230 is a polymer optical waveguide which is a polymer
  • the material of the Bragg grating 235 is also a polymer Bragg grating which is a polymer. This is because the polymer material has an excellent thermo-optic effect compared to other materials.
  • the polymer forming the optical waveguide 230 (cladding 231, 232 and core 233) or Bragg grating 235 comprises a low loss optical polymer.
  • the low loss optical polymer contains a halogen element such as fluorine (F) or deuterium in a general polymer, and preferably includes a functional group capable of heat or ultraviolet curing.
  • the polymer forming the optical waveguide 230 or Bragg grating 235 preferably has a thermo-optic coefficient of ⁇ 9.9 ⁇ 10 ⁇ 4 to ⁇ 0.5 ⁇ 10 ⁇ 4 (° C. ⁇ 1 ).
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a structure of an optical waveguide and a formation position of a Bragg grating in the tunable optical receiver according to the present invention.
  • the optical waveguide 230 is composed of claddings 231 and 232 and a core 233.
  • the optical waveguide 230 has a rib structure, a ridge structure, an inver, as shown in FIG. It may be a inverted rib structure, an inverted ridge structure, or a channel structure.
  • the effective refractive index of the optical waveguide 230 is a function of the position of the Bragg grating, the thickness of the Bragg grating, the ON / OFF ratio of the Bragg grating, the order of the Bragg grating, the refractive index of the polymer materials constituting the core and cladding, and the material shape of the core. Therefore, it is not easy to theoretically predict the wavelength of the output optical signal in the various structures shown in FIG.
  • the optical waveguide 230 and the Bragg grating 235 are formed using a polymer, and in controlling the effective refractive index of the optical waveguide 230, the heater 250, the temperature sensor 260, and the thermoelectric cooler 270 are used. And a temperature control device, the temperature of the optical waveguide 230 in the portion where the Bragg grating 235 is formed can be predictably adjusted, and thus a specific wavelength reflected by one end of the optical waveguide 230 and emitted. It is desirable to be able to easily fix and vary the components.

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Abstract

본 발명은 광도파로의 일단에 입사되는 광대역 광 중 특정 파장 성분을 상기 광도파로의 일단으로 출사시켜 검출하는 파장 가변 광수신기에 관한 것으로, 광대역 광이 입사되며, 중심축이 상기 광대역 광의 진행방향과 일치하도록 배치된 광도파로; 상기 광도파로에 형성된 브래그 격자; 상기 브래그 격자가 형성된 광도파로 상에 구비되는 히터; 및 상기 히터에 의한 열광학 효과에 의해 상기 브래그 격자의 광학적 주기가 조절됨에 따라, 상기 광도파로에 입사되어 코어를 진행하는 광대역 광 중 상기 브래그 격자에 의해 반사되는 특정 파장 성분을 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출기;를 포함하여 구성될 수 있으며, 이 때 상기 광도파로는 상기 광대역 광의 진행방향에 대하여 수직이 아닌 각도를 갖는 입사면을 구비한다. 본 발명에 의하면, 광도파로에 입사되는 광대역 광의 경로와 광도파로에서 출사되는 특정 파장 성분의 경로가 공간적으로 서로 분리되기 때문에, 광원과 광도파로 사이에 광의 분리를 위한 별도의 광소자를 구비할 필요가 없어 비용을 절감할 수 있고, 광수신기의 크기도 감소시킬 수 있게 된다.

Description

도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기
본 발명은 파장 가변 광수신기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 브래그 격자를 포함하는 광도파로의 일단에 입사되는 광대역 광 중 특정 파장 성분을 상기 광도파로의 일단으로 출사시켜 이를 검출하는 도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기에 관한 것이다.
WDM(Wavelength Division Multiplexing) 광통신 기술은 현재 대부분의 기간망 및 메트로망에 적용되는 기술로, 하나의 광섬유로 구성된 광선로에 파장분할 다중화하여 다수의 고속신호를 전송하는 기술이다. WDM 방식의 전송망은 광전변환 없이 일부의 광파장을 선별적으로 분기/결합할 수 있고, 또 일부는 통과시킬 수 있는 OADM(Optical Add/Drop Multiplexer) 기능이 필수적이다. OADM은 전송선로에 존재하는 중간 노드들 사이를 파장 단위로 연결할 수 있도록 함으로써 망의 연결성을 확장하고 그 효율성을 높일 수 있다. ROADM(Reconfigurable OADM)은 전문 기술자의 투입 없이 원격지에서 노드의 분기/결합 파장을 재구성할 수 있고, 전체 망의 파장 연결 상태를 효율적으로 재구성하여 트래픽 상황 변화에 유연하게 대처할 수 있게 함으로써 망의 유지/보수비용을 획기적으로 줄일 수 있다.
최근 이러한 WDM 방식의 전송망에는 파장 가변 레이저 및 파장 가변 광필터를 사용하여 전송망의 유연성을 높이면서도 재고 부담과 운용비용을 낮추려는 노력이 대두되고 있다.
파장 가변 광필터는 입력 광신호 중에서 원하는 파장만을 가변하여 필터링하는 광소자이다. 파장 가변 필터 기술로 가변 패브리-페롯 필터(Tunable Fabri-Perot Filter), 미세 기계 소자(Micro Machined Device), 마하-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer), 광섬유 브래그 회절 격자(Fiber Bragg Gratings), 음향 광학 가변 필터(Acousto-Optic Tunable Filters), 전기 광학 가변 필터(Electro-Optic Tunable Filters), 배열 도파로 격자(Arrayed Waveguide Grating; AWG), 활성 필터(Active Filter), 링 공진기 가변 필터(Ring Resonator Tunable Filters) 등이 있다.
이러한 파장 가변 필터에 대한 설명은 D.Sadot와 E.Boimovich가 IEEE Communications Magazine의 1998년 12월호 p.50-55에 게시한 "Tunable Optical Filters for Dense WDM Networks"에 잘 설명되어 있다.
이에 대하여, 도파로형 파장 가변 광필터 기술은 소형 제작이 가능하고, 고집적 광회로(Optical Intergrated Circuit)에 적용할 수 있다는 점에서 장점을 갖고 있다.
일반적으로 반사형 파장 가변 광필터에 이용되는 브래그 격자는 그 격자의 주기가 약 0.5μm 내외인 단주기 도파로 격자이다. 이러한 단주기 격자를 이용한 파장 가변 광필터는 코어에 입사되는 기본모드가 격자에 의해 브래그 파장에 해당하는 파장만을 광의 입사 방향과 반대 방향의 코어모드와 결합시킨다.
도 1은 종래의 단주기 격자를 이용한 반사형 파장 가변 광수신기의 동작을 설명하기 위한 도면으로서, 도 1의 (a)는 종래의 파장 가변 광수신기(10)를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 1의 (b), (c)는 파장 가변 광수신기(10)의 각 지점에서 파장에 따른 광의 세기를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 1의 (a)에 나타낸 바와 같이, 광원(1)에서 출력된 광대역 광은 광결합에 의해 광도파로(3)의 일단(보다 자세하게는, 코어의 일단)에 입사되고, 광도파로(3)에 형성된 브래그 격자(4)에 의해 반사되는 파장의 광(즉, 특정 파장 성분)은 광도파로(3)의 일단으로 재입력되는 광과의 공진에 의해, 브래그 격자(4)의 반사 대역의 중심 파장을 갖는 발진 파장으로 되어 상기 광도파로(3)의 일단으로 출사하게 된다. 상기 출사되는 광을 입사광(광원(1)에서 출력된 광대역 광)과 구분하기 위해서는 광 서큘레이터(Optical Circulator)(2)와 같은 별도의 광소자를 광원(1)과 광도파로(3) 사이에 위치시킬 필요가 있으며, 이에 따라 상기 출사되는 광은 광 서큘레이터(2)의 출력포트(5)를 통해 출력된 후 광검출기(7)에 전달된다.
도 1의 (a)에서 파장 가변 광수신기(10)에 입사되는 광대역 광 중 브래그 격자(4)에 의해 반사되어 광 서큘레이터(2)의 출력포트(5)를 통해 출사되는 특정 파장 성분은 도 1의 (b)와 같이 나타낼 수 있다. 한편, 상기 광수신기(10)에 입사되는 광대역 광 중 필터링되지 않은 나머지 파장 성분은 광도파로의 타단으로 출사되며, 그에 대한 일례를 나타낸 것이 도 1의 (c)이고 이러한 파장 성분을 노치(notch) 형태라고 부른다.
이와 같이 도파로형 파장 가변 광수신기는 브래그 격자 기반으로 제작될 수 있지만, 이러한 광수신기는 반사형으로만 구현될 수 있기 때문에 광수신기에 의해서 필터링되는 특정 파장 성분은 광의 입사 경로로 되돌아 나오게 된다. 이에 따라, 필터링되는 광을 입사광과 구분하기 위해서는 광원과 광도파로 사이에 광 서큘레이터와 같은 별도의 광소자를 두어야 한다(또는, 광원과 광도파로 사이에 스플리터를 둘 수도 있다). 하지만 광수신기 내에 별도의 광소자를 구비해야 하기 때문에 그만큼의 비용이 소요될 수밖에 없고(특히, 광 서큘레이터는 매우 고가의 광소자임), 별도의 광소자의 배치에 많은 공간이 필요하기 때문에 광수신기의 크기가 커지게 되어 SFP나 XFP 등 표준화된 광 트랜시버 안에 광수신기를 실장하기가 매우 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 광도파로의 일단에 입사되는 광대역 광과 상기 광도파로의 일단에서 출사되는 광(즉, 특정 파장 성분)을 별도의 광소자(광 서큘레이터 또는 스플리터 등)를 구비하지 않고도 손쉽게 분리 및 검출할 수 있는 파장 가변 광수신기를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광도파로의 일단에 입사되는 광대역 광 중 특정 파장 성분을 상기 광도파로의 일단으로 출사시켜 검출하는 파장 가변 광수신기로서, 광대역 광이 입사되며, 중심축이 상기 광대역 광의 진행방향과 일치하도록 배치된 광도파로; 상기 광도파로에 형성된 브래그 격자; 상기 브래그 격자가 형성된 광도파로 상에 구비되는 히터; 및 상기 히터에 의한 열광학 효과에 의해 상기 브래그 격자의 광학적 주기가 조절됨에 따라, 상기 광도파로에 입사되어 코어를 진행하는 광대역 광 중 상기 브래그 격자에 의해 반사되는 특정 파장 성분을 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출기;를 포함하며, 상기 광도파로는, 상기 광대역 광의 진행방향에 대하여 수직이 아닌 각도를 갖는 입사면을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또는, 본 발명은 광도파로의 일단에 입사되는 광대역 광 중 특정 파장 성분을 상기 광도파로의 일단으로 출사시켜 검출하는 파장 가변 광수신기로서, 광대역 광이 입사되며, 상기 광대역 광이 중심축을 기준으로 0도가 아닌 각도를 가지고 입사되도록 배치된 광도파로; 상기 광도파로에 형성된 브래그 격자; 상기 브래그 격자가 형성된 광도파로 상에 구비되는 히터; 및 상기 히터에 의한 열광학 효과에 의해 상기 브래그 격자의 광학적 주기가 조절됨에 따라, 상기 광도파로에 입사되어 코어를 진행하는 광대역 광 중 상기 브래그 격자에 의해 반사되는 특정 파장 성분을 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출기;를 포함한다.
상기 특정 파장 성분은 상기 광도파로의 굴절률과 공기의 굴절률에 의해 결정되는 굴절각으로 상기 광도파로에서 출사되고, 상기 광검출기는 상기 특정 파장 성분의 굴절각에 대응되는 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 파장 가변 광수신기는, 상기 광도파로의 앞쪽에 위치하며, 상기 광대역 광을 집광하여 상기 광도파로에 입사시키는 광학렌즈를 더 포함한다.
본 발명에 따른 파장 가변 광수신기는, 온도센서 및 열전냉각기를 더 포함하며, 상기 히터, 상기 온도센서 및 상기 열전냉각기와 전기적으로 연결되어, 상기 온도센서에 의해 감지되는 신호를 입력받아 상기 히터의 발열 및 상기 열전냉각기의 흡열을 조절하는 온도제어장치를 더 포함한다.
상기 광도파로는 폴리머로 이루어진 폴리머 광도파로인 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 브래그 격자는 폴리머로 이루어진 폴리머 브래그 격자이며, 상기 광도파로 및 상기 브래그 격자를 형성하는 폴리머는 할로겐 원소를 포함하고, 자외선 또는 열에 의해 경화되는 관능기를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그리고 상기 광도파로 및 상기 브래그 격자를 형성하는 폴리머는 열광학 계수가 -9.9×10-4 내지 -0.5×10-4℃-1인 것을 특징으로 한다.
상기 광도파로의 기하학적 구조는 립(rib) 구조, 리지(ridge) 구조, 인버티드 립(inverted rib) 구조, 인버티드 리지(inverted ridge) 구조 또는 채널(chnnel) 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 광도파로에 입사되는 광대역 광의 경로와 광도파로에서 출사되는 특정 파장 성분의 경로가 공간적으로 서로 분리된다. 이에 따라, 광원과 광도파로 사이에 광의 분리를 위한 별도의 광소자를 구비할 필요가 없어 비용을 절감할 수 있고, 파장 가변 광수신기의 크기 또한 줄일 수 있어 SFP나 XFP 등 표준화된 광 트랜시버 안에 파장 가변 광수신기를 용이하게 실장할 수 있다.
도 1은 종래의 단주기 격자를 이용한 반사형 파장 가변 광수신기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 광수신기의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 광수신기의 일부 구성의 측면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 광수신기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 파장 가변 광수신기의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 파장 가변 광수신기의 일부 구성의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 파장 가변 광수신기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 파장 가변 광수신기에 있어서 광도파로의 구조 및 브래그 격자의 형성 위치를 예시적으로 나타낸 도면이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기에 대해 상세하게 설명한다. 첨부한 도면들은 통상의 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이므로, 본 발명은 이하 제시되는 도면들로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수 있다.
<제1 실시예>
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 광수신기의 평면도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 광수신기의 일부 구성의 측면도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 광수신기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 광수신기(100)는 몸체(110), 광학렌즈(120), 광도파로(130), 광검출기(140), 히터(150), 온도센서(160), 열전냉각기(170) 및 기판(180)을 포함하여 구성될 수 있다.
몸체(110)는 내부에 수용공간이 형성된 함체 형상으로 이루어지며, 일면에는 광원(미도시)에서 출력되는 광대역 광을 유입시키기 위한 입사면(111)이 구비될 수 있다. 여기서, 광원은 광대역 광을 출력하는 반도체 레이저 다이오드일 수 있다. 광원에서 출력되는 광대역 광은 입사면(111)에 대하여 수직으로 입사될 수 있다.
광원과 광도파로(130) 사이 즉, 광도파로(130)의 앞쪽에는 광학렌즈(120)가 위치할 수 있다. 광학렌즈(120)는 광원에서 출력되는 광대역 광을 집광하여 광도파로(130)에 입사시키며, 이와 같은 광학렌즈(120)의 집광을 통해 광도파로(130)에 대한 광결합 효율이 향상될 수 있다. 광학렌즈(120)의 양면에는 반사율이 1% 이하인 반사방지막을 형성하여 광원에서 출력되는 광대역 광이 광학렌즈(120)의 표면에서 반사되는 현상을 방지하는 것이 바람직하다.
광도파로(130)는 전반사를 유도하는 상부 클래딩(131)과 하부 클래딩(132), 및 광의 전송이 일어나는 코어(133)로 구성되는데, 상기 광학렌즈(120)에 의해 집광된 광은 광도파로의 코어(133)로 입사될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 광도파로(130)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 광대역 광의 진행방향과 일치하는 중심축(136)을 갖는다. 즉, 광도파로(130)는 광도파로(130)의 중심축(136)이 광대역 광의 진행방향과 일치하도록 배치된다.
게다가, 광도파로(130)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 광대역 광의 진행방향에 대하여 수직이 아닌 각도를 갖는 입사면(137)을 구비한다. 즉, 광도파로(130)의 입사면(137)은 광대역 광의 진행방향에 대하여 경사지게 구비된다. 이는 광도파로(130)의 일단에 입사되는 광대역 광과 상기 광도파로(130)의 일단으로 출사되는 광(즉, 특정 파장 성분)을 공간적으로 분리시키기 위함이다.
구체적으로, 광도파로(130)의 일단에 입사되는 광대역 광 중 브래그 격자(135)에 의해 반사되는 특정 파장 성분은 상기 광도파로(130)의 일단으로 출사되고, 나머지 파장 성분은 광도파로(130)의 타단으로 출사된다. 이 때 광도파로(130)가 광대역 광의 진행방향에 대하여 수직이 아닌 각도를 갖는 입사면(137)을 구비할 경우, 상기 광대역 광과 상기 특정 파장 성분은 광도파로(130)의 일단에서 서로 다른 광경로를 갖기 때문에, 광의 분리를 위한 별도의 광소자를 구비할 필요 없이 상기 특정 파장 성분을 손쉽게 검출할 수 있게 된다.
한편, 광도파로(130)는 기판(180)의 상부에 위치하여 기판(180)에 의해 물리적으로 지지될 수 있으며, 이 때 광도파로(130)를 지지하는 기판(180)은 실리콘 기판, 폴리머 기판 또는 유리 기판 등일 수 있다.
광도파로(130)는 클래딩(131, 132) 및 상기 클래딩(131, 132)에 의해 둘러싸인 코어(133)로 구성되며, 코어(133)의 굴절률이 클래딩(131, 132)의 굴절률보다 크기 때문에 코어(133)에 입사되는 광대역 광은 코어(133)와 클래딩(131, 132)의 경계면에서 전반사가 일어나게 된다.
브래그 격자(135)는 광도파로(130)의 클래딩(131, 132) 또는 코어(133)에, 광대역 광의 진행방향에 대해 일정한 주기를 갖는 홈을 형성하여 제작되며, 홈의 빈 공간(공기)이 브래그 격자를 형성하거나, 상기 홈에 실리콘 산화물, 폴리실리콘과 같은 물질을 채워 브래그 격자를 형성할 수 있다.
브래그 격자(135)를 형성하는 상기 주기적인 홈은 광이 진행하는 광도파로(130)의 굴절률에 주기적인 섭동을 가함으로써, 격자들 사이의 간격에 의해 결정되는 파장을 반사한다. 그리고 브래그 격자(135)에 의해 반사되는 상기 파장은 광도파로(130)의 일단으로 재입력되는 광대역 광과의 공진에 의해 브래그 격자(135)의 반사 대역의 중심 파장을 갖는 광신호가 생성된다.
이에 대해 보다 상세히 설명하면, 상기 브래그 격자(135)에 의해 반사되는 파장(λ)은 다음의 식 1에 나타낸 격자 방정식에 의해 결정된다.
[식 1]
mλ=2nΛ
상기 식 1에서 m은 브래그 격자의 차수를 나타내는 1,3,5,7 등의 홀수, n은 광도파로의 유효 굴절률, Λ는 브래그 격자의 주기이다.
광도파로(130)의 일단에 입사되는 다 파장의 광대역 광(예를 들어, 중심파장이 λ1~λn인 광대역 광) 중, 브래그 격자(135)에 의해 브래그 조건을 만족하는 특정 파장 성분(예를 들어, 중심 파장이 λi인 광)은 반사되어 광도파로(130)의 일단으로 출사되고, 나머지 파장의 광신호들은 광도파로(130)의 타단으로 출사된다.
한편, 온도에 따른 브래그 반사 파장의 변화는 상기 식 1로부터 다음의 식 2와 같이 유도된다.
[식 2]
m·dλ/dT = 2d(nΛ)/dT = λ0(1/n·dn/dT + 1/Λ·dΛ/dT)
상기 식 2의 m, n 및 Λ는 상기 식 1과 동일하며, λ0는 초기 반사 파장이다. 즉, 온도에 대한 반사 파장의 변화량은 온도에 대한 유효 굴절률의 변화량과 격자 주기의 변화량의 합에 비례한다. 예를 들어, 격자 차수 m이 1이고 초기 파장 λ0가 1550nm인 실리콘 도파로 브래그 격자를 가정하면, 온도에 대한 반사 파장의 변화는 0.085nm/K으로 100GHz 간격의 16채널에 해당하는 12nm 가변을 위한 온도는 약 142K임을 알 수 있다. 상기 예에서 실리콘의 열광학계수, Δn/ΔT는 1.9×10-4/K이고, 온도에 의한 주기의 변화는 무시했다.
이와 같이 열광학 효과를 이용하여 브래그 격자(135)의 반사 대역을 조절하기 위해서는, 브래그 격자(135)가 형성된 광도파로(130) 상에 히터(150)를 구비하는 것이 바람직하다.
히터(150)는 소정의 전기적 신호가 인가됨에 따라 줄열(Joule heat)을 생성하여 광도파로(130)의 온도를 가변하고, 광도파로(130)의 열광학 효과에 의해 브래그 격자(135)에서 반사되는 파장 대역을 조절하며, 이에 따라 광도파로(130)의 일단으로 출사되는 특정 파장 성분의 중심 파장이 가변되도록 한다.
히터(150)는 전력이 인가될 때 열이 발생하는 통상적인 금속 히터는 모두 사용 가능하나, 바람직하게는 Cr, Ni, Cu, Ag, Au, Pt, Ti, Al 원소들 및 니크롬과 같은 이들의 합금으로 구성된 적층 박막으로 이루어진 군에서 선택되는 박막형의 발열체가 구비된 히터인 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광도파로(130)는 광도파로(130)의 중심축(136)이 광대역 광의 진행방향과 일치하도록 배치되며, 이와 함께 광도파로(130)는 광대역 광의 진행방향에 대하여 수직이 아닌 각도를 갖는 입사면(137)을 구비한다.
광도파로(130)의 일단에 입사되는 광대역 광은 코어(133)를 진행하게 되며, 히터(150)에 의한 열광학 효과에 의해 브래그 격자(135)의 광학적 주기가 조절됨에 따라 상기 코어를 진행하는 광대역 광 중 특정 파장 성분이 브래그 격자(135)에 의해 반사된다. 반사된 특정 파장 성분은 광도파로(130)의 굴절률 및 공기의 굴절률에 의해 결정되는 굴절각(광도파로(130)의 중심축(136)을 기준으로 광도파로(130)의 일단으로 출사되는 특정 파장 성분이 이루는 각)으로 광도파로(130)에서 출사되고, 광검출기(140)는 상기 특정 파장 성분의 굴절각에 대응되는 위치에 배치되어 상기 특정 파장 성분을 수신하고 이를 전기적 신호로 변환한다.
본 발명의 제1 실시예에 의하면, 광도파로(130)는 광대역 광의 진행방향에 대하여 수직이 아닌 각도를 갖는 입사면(137)을 구비하기 때문에, 광도파로(130)에 입사되는 광대역 광과 브래그 격자(135)에 의해 반사된 후 광도파로(130)에서 출사되는 특정 파장 성분이 광도파로(130)의 일단에서 서로 다른 광경로를 가지게 된다. 이에 따라, 광학렌즈(120)와 광검출기(140)의 배치가 자유로워지고, 광 서큘레이터와 같은 별도의 광소자를 사용할 필요가 없어 광수신기의 비용을 절감할 수 있으며, 광수신기의 크기 또한 감소시킬 수 있게 된다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 파장 가변 광수신기는 히터(150)의 열 공급에 따른 광도파로(130)의 열광학 효과에 의해 브래그 격자(135)의 반사 대역이 조절되고, 이에 따라 광도파로(130)의 일단으로 출사되는 특정 파장 성분의 중심파장을 가변할 수 있다. 이 때, 보다 효율적이고 정확한 열광학 효과를 제공하기 위하여 파장 가변 광수신기에 온도센서(160) 및 열전냉각기(170)를 구비하는 것이 바람직하다.
온도센서(160)는 광도파로(130)의 온도를 실시간으로 측정하여 히터(150)에 인가되는 전류를 조절하도록 광도파로(130)의 상부에 구비되는 것이 바람직하다. 온도센서(160)는 열에 의해 전기적 성질(전압, 저항 또는 전류량)이 바뀌는 통상적인 온도센서이면 족하며, 일 예로 써미스터(thermistor)를 포함하여 구성될 수 있다.
열전냉각기(170)는 광도파로(130)의 온도 변화를 외부 온도 환경에 독립적으로 제어하여 상기 광도파로(130)가 정밀한 열광학 효과를 낼 수 있도록 광도파로(130)의 하부에 구비되는 것이 바람직하다. 열전냉각기(170)는 소정의 전기적 신호에 의해 흡열이 발생하는 통상의 열전소자를 포함하여 구성될 수 있다.
히터(150)와 열전냉각기(170)는 모두 0.1℃ 미만의 정밀도로 온도를 조절할 수 있는 것이 바람직하며, 온도센서(160)는 0.1℃ 미만의 정밀도로 온도를 감지할 수 있는 것이 바람직하다.
그리고 온도센서(160) 및 열전냉각기(170)의 작용에 의해 외부 온도 환경에 대하여 독립적으로 안정된 광신호의 출력 특성이 나타나도록 하기 위해서는 온도제어장치(미도시)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이 때 온도제어장치는 히터(150), 온도센서(160) 및 열전냉각기(170)와 서로 전기적으로 연결되어 온도센서(160)로부터 감지되는 신호를 입력받아 히터(150)의 발열 및 열전냉각기(170)의 흡열을 조절하는 역할을 한다. 온도제어장치는 제어 프로그램이 실행되는 통상적인 마이크로프로세서 및 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 파장 가변 광수신기에서 광도파로(130)의 물질은 폴리머인 폴리머 광도파로이고, 브래그 격자(135)의 물질도 폴리머인 폴리머 브래그 격자인 것이 바람직하다. 이는 폴리머 물질이 다른 물질들에 비해 우수한 열광학 효과를 갖기 때문이다.
상기 광도파로(130)(클래딩(131, 132) 및 코어(133)) 또는 브래그 격자(135)를 형성하는 폴리머는 저손실 광학 폴리머를 포함한다. 상기 저손실 광학 폴리머는 일반적인 폴리머에 불소(F) 등의 할로겐 원소 또는 중수소를 포함하며, 열 또는 자외선 경화 가능한 관능기를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광도파로(130) 또는 브래그 격자(135)를 형성하는 폴리머는 열광학 계수가 -9.9×10-4 내지 -0.5×10-4(℃-1)인 것이 바람직하다. 일 예로, 수소가 불소로 치환된 자외선 경화 가능한 아크릴레이트(acrylate) 계열의 폴리머, 불소계 폴리이미드, 불소 치환 폴리아크릴레이트, 불소 치환 메타아크릴레이트, 폴리실록산, 불소계 폴리아릴렌 에테르, 퍼풀루오르 시크로부탄 계열 폴리머 등을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 파장 가변 광수신기에 있어서 광도파로의 구조 및 브래그 격자의 형성 위치를 예시적으로 나타낸 도면이다. 광도파로(130)는 클래딩(131, 132) 및 코어(133)로 구성되어 있으며, 광도파로(130)의 기하학적 형태는 도 8에 나타낸 바와 같이 립(rib) 구조, 리지(ridge) 구조, 인버티드 립(inverted rib) 구조, 인버티드 리지(inverted ridge) 구조 또는 채널(channel) 구조일 수 있다.
광도파로(130)의 유효 굴절률은 브래그 격자의 위치, 브래그 격자의 두께, 브래그 격자의 ON/OFF 비율, 브래그 격자의 차수, 코어 및 클래딩을 구성하는 폴리머 물질들의 굴절률 및 코어의 물질적 모양의 함수이기 때문에, 도 8에 나타낸 다양한 구조에서 출력 광신호의 파장을 이론적으로 예측하는 것은 용이하지 않다.
따라서 본 발명에서는 광도파로(130) 및 브래그 격자(135)를 폴리머를 이용하여 형성하고, 광도파로(130)의 유효 굴절률을 조절함에 있어서는 히터(150), 온도센서(160), 열전냉각기(170) 및 온도제어장치를 구비함으로써, 브래그 격자(135)가 형성된 부분의 광도파로(130)의 온도를 예측 가능하게 조절할 수 있도록 하고, 그에 따라 광도파로(130)의 일단으로 반사되어 출사되는 특정 파장 성분을 용이하게 고정 및 가변할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
<제2 실시예>
한편, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 파장 가변 광수신기의 평면도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 파장 가변 광수신기의 일부 구성의 측면도이다. 그리고 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 파장 가변 광수신기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 파장 가변 광수신기(200)는 몸체(210), 광학렌즈(220), 광도파로(230), 광검출기(240), 히터(250), 온도센서(260), 열전냉각기(270) 및 기판(280)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 구성들의 기능은 전술한 본 발명의 제1 실시예에 따른 몸체(110), 광학렌즈(120), 광도파로(130), 광검출기(140), 히터(150), 온도센서(160), 열전냉각기(170) 및 기판(180)과 각각 동일하며, 다만 몸체(210)에 구비된 입사면(211)의 위치, 광원(미도시)에 대한 광도파로(230)의 배치, 광학렌즈(220) 및 광검출기(240)의 위치가 상이하다는 점에서 차이가 있다. 이하의 설명에서는, 본 발명의 제1 실시예와 동일한 사항에 대해서는 그에 대한 설명을 간략히 하거나 생략하고 차이점에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
몸체(210)는 내부에 수용공간이 형성된 함체 형상으로 이루어지며, 광원(미도시)에서 출력되는 광대역 광을 유입시키기 위한 입사면(211)이 몸체(210)의 일면에서 타면을 향해 경사지게 구비될 수 있다. 도 5에서 입사면(211)의 위치를 도 2의 경우와 달리 도시한 것은, 광도파로(130)의 중심축이 광원에서 출력되는 광대역 광의 진행방향과 일치하지 않는 경우를 설명하기 위한 것이다. 따라서, 입사면(211)의 위치는 상기 제1 실시예와 같이 몸체(210)의 일면에 구비될 수 있으며, 다만 이 경우에는 광도파로(130)가 도 5에 나타낸 바와는 달리 배치될 수 있다(후술하는 광도파로(130)의 배치에 대한 설명 참조).
광원과 광도파로(230) 사이, 즉 광도파로(230)의 앞쪽에는 광학렌즈(220)가 위치할 수 있다. 광학렌즈(120)는 광원에서 출력되는 광대역 광을 집광하여 광도파로(230)에 입사시키며, 이와 같은 광학렌즈(220)의 집광을 통해 광도파로(130)에 대한 광결합 효율이 향상될 수 있다. 광학렌즈(220)의 양면에는 반사율이 1% 이하인 반사방지막을 형성하여 광원에서 출력되는 광대역 광이 광학렌즈(220)의 표면에서 반사되는 현상을 방지하는 것이 바람직하다.
광도파로(230)는 전반사를 유도하는 상부 클래딩(231)과 하부 클래딩(232), 및 광의 전송이 일어나는 코어(233)로 구성되는데, 광학렌즈(220)에 의해 집광된 광은 광도파로의 코어(233)로 입사될 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 광도파로(230)는 광대역 광이 광도파로(230)의 중심축을 기준으로 0도가 아닌 각도를 가지고 입사되도록 배치된다. 이는 광도파로(230)의 일단에 입사되는 광대역 광과 상기 광도파로(230)의 일단으로 출사되는 광(즉, 특정 파장 성분)을 공간적으로 분리시키기 위함이다.
구체적으로, 광도파로(230)의 일단에 입사되는 광대역 광 중 브래그 격자(235)에 의해 반사되는 특정 파장 성분은 상기 광도파로(230)의 일단으로 출사되고, 나머지 파장 성분은 광도파로(230)의 타단으로 출사되는데, 이 때 광대역 광이 광도파로(230)의 중심축을 기준으로 0도가 아닌 각도를 가지고 입사되도록 광도파로(230)가 배치될 경우, 상기 광대역 광과 상기 특정 파장 성분은 광도파로(230)의 일단에서 서로 다른 광경로를 갖기 때문에, 광의 분리를 위한 별도의 광소자를 구비할 필요 없이 상기 특정 파장 성분을 손쉽게 검출할 수 있게 된다.
이에 대해, 도 7을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
광도파로(230)의 일단에 입사되는 광대역 광은 코어(233)를 진행하게 되며, 히터(250)에 의한 열광학 효과에 의해 브래그 격자(235)의 광학적 주기가 조절됨에 따라 상기 코어(233)를 진행하는 광대역 광 중 특정 파장 성분이 브래그 격자(235)에 의해 반사된다. 반사된 특정 파장 성분은 광도파로(230)의 굴절률 및 공기의 굴절률에 의해 결정되는 굴절각(광도파로(230)의 중심축(236)을 기준으로 광도파로(230)의 일단으로 출사되는 특정 파장 성분이 이루는 각)으로 광도파로(230)에서 출사되고, 광검출기(240)는 상기 특정 파장 성분의 굴절각에 대응되는 위치에 배치되어 상기 특정 파장 성분을 수신하고 이를 전기적 신호로 변환한다. 즉, 광도파로(230)의 중심축(236)을 기준으로 광도파로(230)에 입사되는 광대역 광이 이루는 각을 입사각(θ)이라 할 때, 상기 반사된 특정 파장 성분은 상기 입사각(θ)에 대응되는 굴절각(Φ)을 갖게 되며, 광검출기(240)는 특정 파장 성분이 상기 굴절각(Φ)을 갖고 출사되는 위치에 배치된다.
본 발명의 제2 실시예에 의하면, 광도파로(230)는 광대역 광이 광도파로(230)의 중심축(236)을 기준으로 0도가 아닌 각도를 가지고 입사되도록 배치되기 때문에, 광도파로(230)에 입사되는 광대역 광과 브래그 격자(235)에 의해 반사된 후 광도파로(230)에서 출사되는 특정 파장 성분이 광도파로(230)의 일단에서 서로 다른 광경로를 가지게 된다. 이에 따라, 광학렌즈(220)와 광검출기(240)의 배치가 자유로워지고, 광 서큘레이터와 같은 별도의 광소자를 사용할 필요가 없어 광수신기의 비용을 절감할 수 있으며, 광수신기의 크기 또한 감소시킬 수 있게 된다. 비록 도 7에서는 광도파로(230)의 입사면(237)이 중심축(236)에 대해 경사진 것으로 도시했으나, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광도파로(230)는 제1 실시예에 따른 광도파로(130)와는 달리 입사면(237)이 중심축(236)에 대해 수직일 수도 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 파장 가변 광수신기는 히터(250)의 열 공급에 따른 광도파로(230)의 열광학 효과에 의해 브래그 격자(235)의 반사 대역이 조절되고, 이에 따라 광도파로(230)의 일단으로 출사되는 특정 파장 성분의 중심파장을 가변할 수 있다. 이 때, 보다 효율적이고 정확한 열광학 효과를 제공하기 위하여 파장 가변 광수신기에 온도센서(260) 및 열전냉각기(270)를 구비하는 것이 바람직하다.
히터(250), 온도센서(260) 및 열전냉각기(270)의 세부 구성 및 기능은 상술한 히터(150), 온도센서(160) 및 열전냉각기(170)와 동일하다.
한편, 온도센서(260) 및 열전냉각기(270)의 작용에 의해 외부 온도 환경에 대하여 독립적으로 안정된 광신호의 출력 특성이 나타나도록 하기 위해서는 온도제어장치(미도시)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이 때 온도제어장치는 히터(250), 온도센서(260) 및 열전냉각기(270)와 서로 전기적으로 연결되어 온도센서(260)로부터 감지되는 신호를 입력받아 히터(250)의 발열 및 열전냉각기(270)의 흡열을 조절하는 역할을 한다. 온도제어장치는 제어 프로그램이 실행되는 통상적인 마이크로프로세서 및 컴퓨터로 판독 가능한 저장매체를 포함하여 구성될 수 있다.
한편, 광도파로(230)의 물질은 폴리머인 폴리머 광도파로이고, 브래그 격자(235)의 물질도 폴리머인 폴리머 브래그 격자인 것이 바람직하다. 이는 폴리머 물질이 다른 물질들에 비해 우수한 열광학 효과를 갖기 때문이다.
상기 광도파로(230)(클래딩(231, 232) 및 코어(233)) 또는 브래그 격자(235)를 형성하는 폴리머는 저손실 광학 폴리머를 포함한다. 상기 저손실 광학 폴리머는 일반적인 폴리머에 불소(F) 등의 할로겐 원소 또는 중수소를 포함하며, 열 또는 자외선 경화 가능한 관능기를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광도파로(230) 또는 브래그 격자(235)를 형성하는 폴리머는 열광학 계수가 -9.9×10-4 내지 -0.5×10-4(℃-1)인 것이 바람직하다. 일 예로, 수소가 불소로 치환된 자외선 경화 가능한 아크릴레이트(acrylate) 계열의 폴리머, 불소계 폴리이미드, 불소 치환 폴리아크릴레이트, 불소 치환 메타아크릴레이트, 폴리실록산, 불소계 폴리아릴렌 에테르, 퍼풀루오르 시크로부탄 계열 폴리머 등을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 파장 가변 광수신기에 있어서 광도파로의 구조 및 브래그 격자의 형성 위치를 예시적으로 나타낸 도면이다.
광도파로(230)는 클래딩(231, 232) 및 코어(233)로 구성되어 있으며, 광도파로(230)의 기하학적 형태는 도 8에 나타낸 바와 같이 립(rib) 구조, 리지(ridge) 구조, 인버티드 립(inverted rib) 구조, 인버티드 리지(inverted ridge) 구조 또는 채널(channel) 구조일 수 있다.
광도파로(230)의 유효 굴절률은 브래그 격자의 위치, 브래그 격자의 두께, 브래그 격자의 ON/OFF 비율, 브래그 격자의 차수, 코어 및 클래딩을 구성하는 폴리머 물질들의 굴절률 및 코어의 물질적 모양의 함수이기 때문에, 도 8에 나타낸 다양한 구조에서 출력 광신호의 파장을 이론적으로 예측하는 것은 용이하지 않다.
따라서 본 발명에서는 광도파로(230) 및 브래그 격자(235)를 폴리머를 이용하여 형성하고, 광도파로(230)의 유효 굴절률을 조절함에 있어서는 히터(250), 온도센서(260), 열전냉각기(270) 및 온도제어장치를 구비함으로써, 브래그 격자(235)가 형성된 부분의 광도파로(230)의 온도를 예측 가능하게 조절할 수 있도록 하고, 그에 따라 광도파로(230)의 일단으로 반사되어 출사되는 특정 파장 성분을 용이하게 고정 및 가변할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태를 도면 및 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능한 것은 자명하다.

Claims (9)

  1. 광도파로의 일단에 입사되는 광대역 광 중 특정 파장 성분을 상기 광도파로의 일단으로 출사시켜 검출하는 파장 가변 광수신기로서,
    광대역 광이 입사되며, 중심축이 상기 광대역 광의 진행방향과 일치하도록 배치된 광도파로;
    상기 광도파로에 형성된 브래그 격자;
    상기 브래그 격자가 형성된 광도파로 상에 구비되는 히터; 및
    상기 히터에 의한 열광학 효과에 의해 상기 브래그 격자의 광학적 주기가 조절됨에 따라, 상기 광도파로에 입사되어 코어를 진행하는 광대역 광 중 상기 브래그 격자에 의해 반사되는 특정 파장 성분을 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출기;를 포함하며,
    상기 광도파로는, 상기 광대역 광의 진행방향에 대하여 수직이 아닌 각도를 갖는 입사면을 구비하는 것을 특징으로 하는 도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기.
  2. 광도파로의 일단에 입사되는 광대역 광 중 특정 파장 성분을 상기 광도파로의 일단으로 출사시켜 검출하는 파장 가변 광수신기로서,
    광대역 광이 입사되며, 상기 광대역 광이 중심축을 기준으로 0도가 아닌 각도를 가지고 입사되도록 배치된 광도파로;
    상기 광도파로에 형성된 브래그 격자;
    상기 브래그 격자가 형성된 광도파로 상에 구비되는 히터; 및
    상기 히터에 의한 열광학 효과에 의해 상기 브래그 격자의 광학적 주기가 조절됨에 따라, 상기 광도파로에 입사되어 코어를 진행하는 광대역 광 중 상기 브래그 격자에 의해 반사되는 특정 파장 성분을 수신하여 전기적 신호로 변환하는 광검출기;를 포함하는 도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 특정 파장 성분은 상기 광도파로의 굴절률과 공기의 굴절률에 의해 결정되는 굴절각으로 상기 광도파로에서 출사되고,
    상기 광검출기는 상기 특정 파장 성분의 굴절각에 대응되는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광도파로의 앞쪽에 위치하며, 상기 광대역 광을 집광하여 상기 광도파로에 입사시키는 광학렌즈를 더 포함하는 도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 파장 가변 광수신기는 온도센서 및 열전냉각기를 더 포함하며,
    상기 히터, 상기 온도센서 및 상기 열전냉각기와 전기적으로 연결되어, 상기 온도센서에 의해 감지되는 신호를 입력받아 상기 히터의 발열 및 상기 열전냉각기의 흡열을 조절하는 온도제어장치를 더 포함하는 도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광도파로는 폴리머로 이루어진 폴리머 광도파로인 것을 특징으로 하는 도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 브래그 격자는 폴리머로 이루어진 폴리머 브래그 격자이며,
    상기 광도파로 및 상기 브래그 격자를 형성하는 폴리머는 할로겐 원소를 포함하고, 자외선 또는 열에 의해 경화되는 관능기를 포함하는 것을 특징으로 하는 도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광도파로 및 상기 브래그 격자를 형성하는 폴리머는 열광학 계수가 -9.9×10-4 내지 -0.5×10-4℃-1인 것을 특징으로 하는 도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광도파로의 기하학적 구조는 립(rib) 구조, 리지(ridge) 구조, 인버티드 립(inverted rib) 구조, 인버티드 리지(inverted ridge) 구조 또는 채널(chnnel) 구조인 것을 특징으로 하는 도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기.
PCT/KR2016/004494 2015-04-29 2016-04-29 도파로 브래그 격자를 사용한 파장 가변 광수신기 WO2016175595A1 (ko)

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